DE3242478A1 - Verfahren zur herstellung von fuegeverbindungen nach dem vibrationsschweissverfahren - Google Patents

Verfahren zur herstellung von fuegeverbindungen nach dem vibrationsschweissverfahren

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Description

  • Verfahren zur Herstellung von Fügeverbindungen nach dem
  • Vibrationsschweißverfahren Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Fügeverbindungen an Formteilen und Halbzeug aus verstärkten und/oder unverstärkten Thermoplasten nach dem Vibrationsschweißverfahren.
  • Bei der Komplettierung von Formteilen und Halbzeug aus thermoplastischen Kunststoffen nach dem Vibrationsschweißverfahren werden beide oder ein Fügeteil in einer Winkel-oder Linearbewegung von vorgegebener Amplitude und Frequenz unter einem vorgegebenen Anpreßdruck miteinander verbunden. Die Qualität dieser Fügeverbindungen, wie auch der hierfür erforderliche konstruktive und maschinentechnische Aufwand und die erforderlichen Verarbeitungszeiten stehen in einem so günstigen Verhältnis zueinander, daß sich dieses Fügeverfahren in kürzester Zeit für die verschiedensten Schweißprobleme an Teilen aus thermoplastischen Kunststoffen eingeführt hat.
  • An die Grenzen der Einsatzmöglichkeiten für Kunststoffschweißverfahren allgemein stößt man jedoch, sobald z.B.
  • belastbare Schweißverbindungen aus hochgefüllten thermoplastischen Kunststoffen hergestellt werden sollen. Denn mit steigendem Anteil an Füll- und Zusatzstoffen reduziert sich der in der Itügeebene vorliegende Thermoplastanteil, dessen gleichmäßige Verteilung im Schmelzezustand eine vollflächige und feste Verbindung beider Fügeteile bewirkt.
  • Die Folge hieraus ist, daß in den Fügeebenen die Wirkung der im Grundwerkstoff eingebrachten Verstärkungskomponenten nicht - oder nur zu einem geringen Teil - zum Tragen kommen.
  • 'Hieraus resultiert, daß beim Fügen verstärkter und/oder gefüllter thermoplastischer Werkstoffe Schweißfaktoren erreicht werden, die bis weit unter die Werkstoffkennwerte der zu fügenden Materialien reichen können und daß dadurch der Einsatzbereich dieser Teile erheblich eingeschränkt sein kann. Andererseits ist gerade bei hochbeanspruchten Kunststoffteilen ein hoher Gehalt an Füll- und Verstärkungsstoffen oft erforderlich, um die an das spätere Fertigteil gestellten mechanischen, thermischen und chemischen Anforderungen zu erfüllen.
  • Hinzu kommt weiter, daß für eine steigende Zahl von Anwendungsfällen eine Lösung in Kunststoffen nur möglich ist, wenn man zwei oder mehr Einzelteile zu einem funktionsfähigen Ganzen anforderungsgerecht miteinander verbinden kann.
  • Es war daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Fügeverbindungen zu schaffen, welches es erlaubt, Formteile aus verstärkten und/oder unverstärkten Thermoplasten zu verschweißen, wobei hohe Gütefaktoren der Schweißverbindungen erzielbar sind.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.
  • Erfindungsgemäß ergeben sich bei Formteilen aus hochgefüllten Werkstoffen gute Schweißverbindungen, wenn man bei der Schweißoperation mit einem in die Fügeebene eingebrachten Kontaktkörper, der z.B. aus dem Matrixmaterial der zu verbindenden Fügeteile besteht, arbeitet. Dadurch läßt sich eine definierte Fügezone mit einem auf kleinstem Volumen reduzierten Füllstoffanteil schaffen, die eine belastbare Schweißverbindung ohne Minderung der Vorteile durch Einsatz hochgefüllter Thermoplasttypen ermöglich.
  • 'Dieser Kontaktkörper kann in Form eines flächigen Gebildes mit konstanter Dicke oder als ein den eventuellen vorliegenden Konturen beider Fügeflächen angepaßtes Teil zum Einsatz kommen.
  • Nach dem Verfahren sind Formteile aus praktisch allen thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoffen verschweißbar, beispielsweise Formteile aus Olefinpolymerisate, wie Polyethylen oder Polypropylen; Styrolpolymerisate, wie Polystyrol oder Copolymere des Styrols; Chlor enthaltende Polymerisate, wie Polyvinylchlorid; Polyamide, Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, sowie Mischungen dieser Polymerisate.
  • Diese Kunststoffe können die üblichen Zusatzstoffe, wie Füllstoffe, Pigmente, Farbstoffe, Antistatika, Stabilisatoren, Flammschutzmittel oder Gleitmittel sowie faserige Substanzen in Form von Matten, Vliesen, Filzen oder Geweben aus Glas-, Kohlenstoff- oder Kunststoff-Fasern enthalten.
  • Der Kontaktkörper kann vollständig oder auch nur teilweise aus schweißbarem thermoplastischen Kunststoff bestehen.
  • Weitere Einsatzmöglichkeiten ergeben sich, wenn der Kontaktkörper nicht vollflächig, sondern als Netzwerk, Gitter, Vlies oder in ähnlicher Struktur verwendet wird.
  • Dabei kann die Dicke des Kontaktkörpers so variiert werden, daß einerseits das volle Volumen plastifiziert und zur Bildung einer hochbelastbaren Kontaktzone dient, andererseits sich aber auch nur eine begrenzte Schmelzeschicht an beiden Anlageflächen dieser Kontaktzonen bildet und der nicht aufgeschmolzene Kern des Kontaktkörpers Funktionen der Gebrauchstauglichkeit des Fertigteils erfüllt, dadurch, daß das beim Fügen plastifizierte Material von beiden Seiten in das o.g. Netzwerk eindringt und für eine innige Verankerung sorgt. Hierbei ist darauf zu achten, daß der mit dem Netzwerk oder anderen Verbundhilfsstoffen versehene Kontaktkörper den mechanischen Charakteristika der zu verbindenden Teile angepaßt ist.
  • Bei dem neuen Verfahren wird zwischen die zu verschweißenden Formteile der Kontaktkörper eingebracht, d.h. die Formteile und der Kontaktkörper in an sich üblicher Weise aufeinandergelegt, im allgemeinen unter leichten Andrücken, wobei meist ein Druck von 1 bis 10 bar, insbesondere von 2 bis 6 bar, ausreicht und der Einwirkung von Linear- onder Winkel schwingungen ausgesetzt. Dabei können Vibrationsanlagen mit den üblichen Aufnahmewerkzeugen, die beispielsweise aus Aluminiumlegierungen hergestellt sein können, verwendet werden. Der Frequenzbereich liegt im allgemeinen zwischen 50 bis 500 Hz, vorzugsweise zwischen 100 bis 300 Hz. Auch der Amplitudenbereich der Schwingungen liegt im üblichen Bereich und soll mindestens 1 mm, zweckmäßigerweise zwischen 1,0 und 5 mm betragen. Gegebenenfalls kommt auch ein Amplitudenbereich über und unter diesen Werten in Betracht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren bietet auch die Möglichkeit, Formteile und auch Halbzeuge nach dem Vibrationsschweißverfahren zu verbinden, die aufgrund ihres chemischen Aufbaus bisher nicht miteinander verschweißbar sind.
  • Dazu ist es lediglich erforderlich, daß der beschriebene Kontaktkörper aus einem thermoplastischen Kunststoff gefertigt wird, dessen chemischer Aufbau es vorsieht, daß er zu beiden Thermoplasten affin ist. Beispielsweise können zwei Formteile miteinander verbunden werden, von denen das eine aus einem Polyamid besteht und das andere aus einem Polyolefin unter Verwendung eines Kontaktkörpers, der aus einem Copolymeren, z.B. aus Ethylen, Acrylsäure und Acryl- säureester besteht. Da das Copolymerisat sowohl durch Extrusion als auch im Spritzguß verarbeitbar ist, sind Form und Abmessung des Kontaktkörpers in weiten Grenzen variabel.
  • Je nach Gestaltung der Kontaktflächen zwischen Kontaktkörper und Fügeteil kann eine Verschweißung auch nur partiell an den vorgegebenen Stellen der dafür geschaffenen Kontur erzielt werden, z.B. bei der Herstellung von Formteilen, die am Umfang in der Schweißebene perforiert sein müssen. Des weiteren kann das Volumen solcher Kontaktkörper wie auch ihre Gestalt und Abmessungen bis zu einem nur durch Maschinen und Aufnahmewerkzeuge begrenzten Wert variiert werden, so daß ihre Funktion gleichzeitig in einer Erweiterung des durch die zu fügenden Formteile gebildeten Fertigteils besteht. In solchen Fällen wird lediglich an den jeweiligen Kontaktflächen eine entsprechend tiefe Schmelzeschicht gebildet, so daß der größte Teil des Kontaktkörpers während der Schweißung Raumtemperatur aufweist.
  • Weiterhin ist es möglich, Bauteile, die nicht aus thermoplastischen Kunststoffen bestehen, in die Fügeverbindung zu integrieren. Dabei bieten sich Möglichkeiten, den Nicht-Thermoplasten bezüglich seiner Fügeflächen konstruktiv, z.B. durch geeignete Hinterschnitte, so auszubilden, daß die durch die Gegenseite gebildete plastifizierte Schicht sich genügend tief in den Hinterschneidungen verankern kann. Bei der praktischen Anwendung geht man hierbei so vor, daß man z.B. in das Metallteil eine Nut oder einen Hinterschnitt beliebiger Form einarbeitet, in welche der beim Fügen erzeugte plastifizierte Werkstoff eindringen kann. Als Fügehilfsmittel kann hierbei auch ein thermoplastischer Haftvermittler während des Fügevorgangs mit eingebracht werden.
  • Für die Qualität eines Fügeergebnisses ist das Maß der Schwingungsenergie von ausschlaggebender Bedeutung. In manchen Fällen ist es daher erforderlich, den Kontaktkörper nicht gleichzeitig, sondern nacheinander mit den Formteilen zu verbinden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei jedoch von der Art und Weise, wie die Vibration beim Schweißvorgang erzeugt wird, unabhängig.

Claims (8)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung von Fügeverbindungen an Formteilen aus verstärkten und/oder unverstärkten Thermoplasten nach dem Vibrationsschweißverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Fügeflächen der Formteile ein Kontaktkörper eingebracht und unter der Einwirkung von Linear- oder Winkel schwingungen mit den Formteilen verschweißt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktkörper aus einem thermoplastischen Kunststoff besteht, der zu den Thermoplasten der Formteile affin ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktkörper nur teilweise aus schweißbaren thermoplastischen Kunststoffen besteht.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktkörper bezüglich seiner Form und Abmessungen so ausgebildet ist, daß bei der Fügeoperation im wesentlichen nur die unmittelbar aufliegenden Flächenanteile plastifiziert werden.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktkörper konstruktiv so gestaltet ist, daß Schweißverbindungen nur in Teilbereichen der Fügeflächen erfolgen können.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktkörper nicht aus thermoplast-schen Kunststoffen besteht und die Kontaktflächen konstruktiv so ausgebildet sind, daß bei einem Vibrationsschweiß- vorgang die sich bildende thermoplastische Schmelze in Hinterschnitte des nicht schweißbaren Fügepartners gedrückt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verbinden zweier nicht zueinander affinen Fügepartner der Kontaktkörper mit einem geeigneten Haftvermittler ausgerüstet ist.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rontaktkörper nicht gleichzeitig, sondern nacheinander mit den Formteilen verbunden wird.
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